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Journal of Bionic Engineering 4 (2007) 217?226

自主移动机器人的智能机械设计理念

Amir A. F. Nassiraei, Kazuo Ishii

Kyushu Institute of Technology, Kitakyushu, Fukuoka 808–0196, Japan

摘要

智能机械设计的概念（IMD）提出了机械结构的设计可以影响机器人的可控性，简化和任务绩效。探索这个概念产生的地标在境内在七个设计原则形成机械机器人设计。的设计原则，我们称之为机械能原则（MTP），提供指导如何设计自主移动机器人的力学。这些原则指导我们问在调查问题的自主可控的，可靠的，可行的正确的问题，和兼容的力学自主移动机器人。表明MTP可以应用在设计过程中，我们提出了一种新的方法，称为机器人智能方法（MTM）。所提出的方法的机械设计是基于偏好分类用环境和机器人的物理参数与机器人互动的机器人规范描述机电一体化。在定义新的术语，我们研究所提出的方法的可行性，对机械设计自主移动下水道检查机器人。在这个工业项目，我们展示了一个被动智能移动机构可以使用MTM和在该领域的设计。

关键词：机械设计，智能，机器人，移动机器人

1、引言

在第二十一世纪，预计机器人不同程度的自主性和移动性将发挥在人类生活的各个方面越来越重要的作用。要做到这一点，机器人必须变得更加复杂比今天。这种机器人的发展研究人员提出了巨大的挑战。然而，这增加机器人的复杂性的缺点，的必要性对于更复杂的硬件，软件和机械结构，可能会导致低可靠性和增加尺寸，质量，成本，功耗和运动限制。为了避免这些问题，机器人的简化机电一体化是其设计的关键。虽然每个人都在机器人即将面临的现实，机械结构的设计有很大的影响性和可控性。理论和实践机器人之间的关系研究机械结构和由此产生的可控性可靠性在很大程度上被忽略。这不是一个简单的周围的监督，但基本空白机器人[ 1 ]。面临的挑战是要找到一种统一的方法或合适的力学设计方法自主移动机器人提供高程度的性能，功能，结构简单、可靠性高。有没有具体的方法或方法实际上设计这样的系统，在这么多的不统一创新的方法；给出一个特定的需要，每设计师将设计不同的东西[ 2 ]。

“智能机械设计的概念（IMD）”的提出，问题的方法自主移动机器人的机械设计。使用我们所称的MTM包括七机械设计的原则是以最大限度地提高设计师的创造力和导致更简单，更适合，对于复杂的问题机械卓越的解决方案。在这种方法中合适的优化机制考虑到机器人的任务设计，行为，形态，与环境分析物理形态的限制，在设计过程。本文分为四个主要议题。第一，在2节中，我们讨论了智力的概念有关申请来我们这里的工作参考它是如何在理解智能的书了罗尔夫Pfeifer和基督教写的舍勒[ 3 ]。这种方法可以了解情报作为描述IMD指南和建立我们的机械设计理论的基本原理，在的七个设计原则的形式（MTP）介绍 3节?。第三，在4节中，我们介绍了机械设计教学。我们如何MTP可应用于机器人的机械设计。最后，我们研究所提出的方法的可行性通过对一个机械设计下水道检查机器人自主移动。在这个工业项目我们如何被动智能运动机构可以基于MTM设计作为一个真正的下水道检查机器人平台管网。

2、力学和智能

让我们从一个基本问题自主移动机器人的设计：“什么是理想的机械设计的自主移动机器人可以定义所需的行为的环境中它将被使用？”

思考这一基本问题揭示两个主要问题。首先，这个词的确切含义“理想”与

一个机器人是可靠的，强大的，简单的，合适的，等二，精确定义的缺乏 这些术语应用于机械自主移动机器人的设计（见图1）。在本文我们解决这些问题的建议整合所有这些条款一：“智能机械设计（IMD）”（图2）。注意的含义“智能化”的提出，是不一样的在常用的短语如“智能设计”，“英特尔—智能力学”，“机械智能”，“智能设计师”。“智能”用在这里作为一个总称类似和相关概念。IMD是概念上的机械的MTM自主式移动机器人设计的基础。这方法可以帮助设计人员创建和设计简单的，合适的和足够的机械解决方案不同复杂程度的问题。机械基于该方法设计可能包括智能机械，被动机制，利用体形态和先进材料机械解决方案，利用当地的环境。由于MTM鼓励设计师创意，设计的结果反映强烈的设计师的能力。我们希望上述各在“智能”的定义了，这是我们开发一个方法的第一步设计的机器人具有不同的理想力学自主性和流动性的程度。

图一 自主移动机器人的机械设计及相关因素。

图二 在自主设计的新方法移动机器人的相关因素。

2.1、什么是智能？

“智能化是一个大的领域，人类是没有准备好甚至了解它的基本面。 也许他永远不会了解这一切。我们生活在一个巨大的复杂的环境与自然太复杂，在三到四个句子解释。智慧是什么，是由自然和肯定不是我们人类自己”[ 4 ]。许多领先的专家在他们的领域都试图定义和描述智能。结果已经有无数的定义随着这些专家似乎不确定甚至他们自己的定义。一个奇妙的方法只有“智慧”的意思，而且使用的自主代理的设计过程中的术语发现一本书的标题“理解智能”[3 ]。作者运用智力的概念定义所谓完整的代理，反过来，他们运用这一概念来形成自己的设计原则（完整的代理）的设计自治代理* *。

2.2、智能机械设计

智能机械设计以下Pfeifer方法试图创造一个可接受的定义的“智能”，我们将简要讨论相关条款需要产生IMD的合适的定义。智能机械设计（IMD）：这个术语用来描述完整的机械设计（设计这是自我控制的，可靠的，可行的，并且兼容）解决功能的可用性的权衡以最优的方式。机械设计必须考虑一个特定的环境生态位。

自我控制：机械设计selfcontrollable如果可以通过一系列的内部控制硬件，外部动力的独立性。自我控制应该考虑对于一个特定的系统。

可靠：机械设计是可靠的话，在大多数情况下，它完成了自己的设计规范。

可行的：如果它能机械设计是可行的被制成一个真正的机械结构用

目前的制造方法和商业资料。可行的机械设计的影响一些要求，如成本，尺寸，重量，水密封，防尘等。

兼容：如果感觉电机结构设计具有兼容性的机械设计是兼容的随着硬件的尺寸，重量和形状。兼容性应该考虑一个特定的系统。

功能可用性的权衡：代表妥协之间，一方面，增加了新的的功能，另一方面，实现可用性条件[5]。

环境：环境生态位一个机器人可以认为是每个变量的范围它的环境。我们使用术语“环境”在这里意味着两个基本的东西。第一，直接的物理意义：区域或空间中，机器人的应用，包括天然的和人造的物体。第二，间接—物理意义：人工参数它的功能。这需要一些解释，这里我们用一个例子。考虑一个机器人设计的竞争在一个可以收集竞争（见图3）。的机器人的任务是在其环境中收集的对象带他们到可以室位于的一角竞争区域。这个游戏的规则，包括限制在机器人，机器人应该装在一个盒子的大小具体的尺寸，并使成本机器人也是有限的。在这种情况下，环境位可分为。